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目前，全球能源供应仍以化石燃料为主，无法持续满足低碳社会的发展需求。氢气（H2）与化石燃料相比，在能量密度和绿色环保方面具有巨大优势，由可再生能源直接驱动水电解是一种理想的生产方法。. v3 B5 O+ f$ K3 \+ v+ u! E/ K+ B
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$ s9 E- P7 }. A8 u# I# ^5 c" ?& ~通常，传统水电解（CWE）中析氢反应（HER）和析氧反应（OER）同时发生、紧密耦合，不仅提高了分离难度，还有发生爆燃的风险。为了解决上述问题，研究人员在水电解过程中引入了辅助电极，试图让析氢和析氧过程分离。此前的研究对解耦水电解的结构设计，主要集中在多电极（≥3个电极）或多电解槽（≥2个电解槽）方向。这些解耦水电解系统的设计大多操作复杂，在实际生产氢气的过程中存在巨大的限制。
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3 E3 g: F6 ?0 k* A; F# W( O近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院陈维教授课题组在国际期刊JACS Au发表了题为“pH-Universal Decoupled Water Electrolysis Enabled by Electrocatalytic Hydrogen Gas Capacitive Chemistry”的研究论文。该研究提出利用电催化型氢气电容，解耦全pH水电解（all-pH-CDWE），实现有效的H2与O2分离。这一all-pH-CDWE结构仅包含一个电解槽与两个电极，即碳电容型电极和电催化型气体（H2和O2）电极。在电催化型气体电极上交替生成的H2和O2，可以在接近100%的电解液利用率下连续循环800个周期以上。该水电解技术有望简便而且经济地大规模生产H2。4 x4 B! r. g* t" Z, f0 {
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这一新型的all-pH-CDWE两电极、单电解槽解耦水电解结构系统，主要包括低成本的电容型电极，和用于解耦水电解的电催化型气体电极。与传统水电解的电压相比，在电流密度为5 mA cm-2时，酸性pH-CDWE的能量效率为94%，碱性pH-CDWE的能量效率为97%。此外，气相色谱与原位电化学质谱测试进一步证实了产生的H2具有高的纯度。该all-pH-CDWE的结构设计能够规模化并很好地应用于实际的水电解，有利于应用可再生能源大规模的生产H2。- ^, E) ?5 E" Q2 j9 u" P) h( n3 J
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参考文献0 R2 j' s/ j5 ^4 w" R5 K# d/ Q: ?+ p
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pH-Universal Decoupled Water Electrolysis Enabled by Electrocatalytic Hydrogen Gas Capacitive Chemistry
% D2 M/ l I* |' t5 i- @, hhttps://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.2c00624- m( s: F, l+ P4 t7 S( ^# J
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作者：陈维团队 4 s, b O T$ q4 Y" ^
编辑：靳小明 6 o& j6 V) Q" t$ ]2 k
排版：尹宁流 ! h' X0 `( f9 \9 P
题图来源：团队供图
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研究团队
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通讯作者 陈维：中国科学技术大学应用化学系特任教授、博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位；2014-2018年于斯坦福大学从事博士后研究工作；2018-2019年在EEnotech公司担任科学家；2019年7月入职中国科学技术大学，专注于大规模储能电池、电催化等研究。独立建组以来，作为(共同)通讯作者在Chemical Reviews, Nature Communications, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Letters, ACS Catalysis, eScience, Energy Storage Materials等国际期刊发表学术论文40余篇，论文总被引9000余次，H因子45。研究成果获得美国专利5项，中国发明专利20余项。担任eScience, Nano Research Energy, Energy Materials Advances, Battery Energy, Carbon Energy, Chinese Chemical Letters, Transactions of Tianjin University杂志青年编委，Interdisciplinary Materials杂志学术编委，Catalysts杂志编委。. ?9 G2 C" T+ P& K8 o! s' Q
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1 D0 l$ Y% O$ F! C( O& h7 O课题组主页http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1) r( d/ x Z! q+ ]* Q, e
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第一作者 朱正新：中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心博士后。2017年于中国地质大学（武汉）获得工学学士学位，2022年于中国科学技术大学获得理学博士学位。朱正新博士专注于水系可充电氢气电池的开发，以第一作者身份在Chem. Rev.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、JACS Au、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际期刊发表论文10余篇，论文总被引300余次。 Z- h0 R" v: R- Y1 h8 d7 _
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论文信息/ [* g; l' b, \- ~9 K- u- m
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1 c; U! g+ @# h. K' q' G: @- e发布期刊JACS Au0 x/ \) ~- A0 F
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发布时间 2023年1月24日
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论文标题 pH-Universal Decoupled Water Electrolysis Enabled by Electrocatalytic Hydrogen Gas Capacitive Chemistry
1 a, y. O7 j$ |+ I1 l(DOI：https://doi.org/10.1021/jacsau.2c00624）
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发表于 2023-3-4 01:10:13
